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1/4 : Continu ou alternatif ?

Continu ou alternatif : générateurs

Générateurs usuels
Seules les 3 sources de tension à gauche produisent naturellement un courant continu :
  • Piles
  • (batteries d') Accumulateurs
  • Panneaux solaires
Éoliennes, Hydro-électricité, centrales nucléaires exploitent la rotation d'alternateurs et produisent du courant alternatif.

Rappel :

Le courant continu est unidirectionnelNe change pas de sens :
+ et sont clairement identifiés
et naturellement lisseSans ondulation !




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Continu ou alternatif : récepteurs

Récepteurs usuels
Récepteurs ne fonctionnant qu'en courant continuOn peut les utiliser sur une prise 230 V~ car ils incorporent un redresseur ! :
  • LED de signalisation et d'éclairage
  • Électrolyse et traitements chimiques
  • Electronique, informatique
Récepteurs fonctionnant exclusivementA vitesse fixe, sinon l'usage de convertisseur de fréquence passe par une conversion double CA~ ⇒ CC ⇒ CA~ ! en alternatif :
  • Moteurs asynchrones et synchrones
  • Lampes et tubes fluorescents
  • Transformateurs
Récepteurs fonctionnant indifféremment en CC ou CA~ :
  • Résistances chauffantes et éclairantes (lampes à filament)
  • Certaines bobines mais avec contraintesPour éviter toute interruption au passage par 0 du CA~, les bobines sont doubles. Alimentées en CC, la tension doit être bien plus faible ≃ 1/3 à 1/2 seulement...
  • Les moteurs universels, tension CC à adapterLà aussi la tension CC doit être bien plus faible ≃ 1/3 à 1/2 seulement... là aussi




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Synoptique du redressement

Synoptique du redressement CA~ vers CC

Conversion CA~ CC étape par étape !

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4
Courant Alternatif
Le signal alternatif de départ qui convient aux moteurs alternatifs, tubes fluos, transfos...
Courant Redressé
Ce signal ne convient qu'aux récepteurs à forte inertie tels que les moteurs à courant continu.
Courant Filtré
Filtré, le signal convient aux appareils électro-mécaniques : relais, contacteurs... Ainsi qu'aux LED et optocoupleursOptocoupleur ou relais statique comme ici : un optotriac
Opto-triac
Utilisés en entrées et sorties d'automates et chaque fois que l'isolement galvanique, séparation des circuits électriques, est nécessaire.

Courant Continu lisse
Continu lisse et stabilisé, réguléLisse et stable, exemple 5 Volts ± 1%, pour circuits intégrés logiques ; actuellement 1 Volt ± 0.x% pour les microprocesseurs ! : seul courant admis pour les appareils électroniques numériques sensibles !
1
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3
Redressement ponts de diodes
Première étape : rendre le signal unidirectionnel avec des diodes, 1 à 4 en monophasé, 3 à 6 en triphasé ou directement par pont de diodesElles sont noyées dans un bloc tel qu'en photo : 4 ponts doubles monophasés.
Filtrage avec condo, condensateur
Etape suivante : filtrer le signal, généralement ± 10%, bien loin des passages par 0 !
Régulation de tension régulateur
Enfin, la régulation, garantie d'un signal lisse et stable ± 1% ou mieux !
La tension de sortie est liée à l'ondulationException faite des régulateurs à découpage, la tension ne peut être régulée en dessous de la valeur minimale filtrée ! !




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Quelques affirmations à corriger !...


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2/4 : Redressement en monophasé

Redressement simple et double alternance sur oscilloscope





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Redressement simple alternance

Ue émane d'une bobine (alternateur ou transformateur) Us est raccordé à la charge, ici une simple résistance. Cliquez sur l'animation pour la relancer !
Redressement monophasé simple alternance
Très peu efficace, 50% du signal est perdu, ce montage se limite généralement à quelques dizaines de mA mais ne requière qu'une diodeLa chute de tension est minimale : 1 seul seuilDiode et redressement
Véritable clapet anti-retour, le courant ne circule que dans un sens !
.

Simple ou double alternance, le redressement par diode(s) implique systématiquement un seuilEn mono-alternance : 1 seuil de diode, avec un pont de 4 diodes : 2 seuils en série impliquant un temps de passage par 0 d'autant plus long que la tension alternative ~ est faible :
Seuils de diodes en redressement
Les traits jaune représentent ce passage par 0 !
comme vu dans la vidéo !




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Double alternance par pont

1
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3
Bobine + - alternatif
Le courant alternatif, ici en sortie de bobine de transfo ou d'alternateur, fait naître alternativement un + et un à son opposé.
Pont de diode, partie positive
En reliant l'anode de 2 diodes à chaque extrémité de la bobine et en relaint leurs 2 cathodes ensemble (on ne provoque pas de cct !) on crée une branche qui sera toujours positive !
Pont de Greatz diodes complet
Il suffit de réaliser la symétrie inverse pour le retour du courant :
les cathodes 2 à chaque extrémité, les 2 anodes reliées ensemble et le 'tour est joué' !
Ponts de diodes 35 A 5 A et 1 A




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Redressement avec pont de Graetz, pont de diodes

Redressement monophase double alternance
Cliquez sur l'animation pour la relancer !
Le pont de diode requière 4 diodes et se symboliseEn jaune, à droite : les représentations synoptiques
Ponts de diodes symbole synoptique
ainsi. Photos de ponts de diodes monophasésDe gauche à droite : 35 Ampères avec dissipateur, la patte + est verticale contrairement aux autres, 5 A (3.3 A sans dissipateur thermique) au milieu, 1 A à gauche, le + est le + long !
Ponts de diodes 35 A 5 A et 1 A
.




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Redressement double alternance à point milieu

Redressement monophasé double alternance point milieu
Cliquez sur l'animation pour la relancer !
Montage un peu ancien datant d'une époque révolue où le cuivre était moins cher que les diodes !
Aussi efficace que le pont de diode, économise un seuil de diode dans chaque sens, il requière par contre un enroulement double...




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Alimentation symétrique double ± U alternance

Redressement monophasé symétrique double
Cliquez sur l'animation pour la relancer !
Requière 1 pont de diode et un transformateur à point milieu pour une alimentation symétrique par exemple ± 12 Vcc.




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Quel(s) pont(s) est(sont) correct(s) ? ...


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3/4 : Redressement triphasé

Simple alternance 3 diodes : étoile seulement

Redressement triphasé mono alternance
Avec simplement 3 diodes, le signal ne passe plus par 0 !
Par contre le générateur doit absolument être relié en étoile puique le retour, le , est assuré par le neutre.




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Triphasé double alternance 6 diodes

Redressement triphasé double alternanceLe plus efficace, utilisé dans les alternateurs automobiles, il garantit un signal déjà filtré (ondulation résiduelle à peine supérieure à 10% !)




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Suite : ondulation résiduelle ≃ 15% seulement !

Ondulation résiduelle triphasé double alternance
La flèche mobile représente Us qui s'obtient entre la phase la plus positive des 3, comme en simple alternance, et la phase la plus négative des 3 !
Ainsi Us max est proche de 2 × VMême si le neutre n'a pas d'utilité, directe, le représenter ici en gris et pointillés permet de constater que Us max est proche de |+Vmax| + |–Vmax|
Tension Us triphasé double alternance
, le neutre n'a aucune utilité ici.




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Amplitudes et fréquences

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3
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Monophasé simple alternance


Signal monophasé redressé simple alternance f et U

Le moins performant : 50% du temps Us = 0 ! A réserver à de très faibles intensités (≃ 0.1 A) et puissances
Economique : il ne requière qu'une diode, sa fréquence est identique à l'alternatif d'origine, Us max = U~ max – 1 seuil de diode.

Monophasé double alternance


Signal monophasé double alternance f et U

Le plus performant en monophasé, requière : 2 diodes et 1 transfo à point milieu, ou 4 diodes.
La fréquence de sortie est doubleEn monophasé, les alternances négatives deviennent positives, on compte donc désormais 1 seule alternance par période :
Passage de 2 à 1 alternance par période
(100 Hz si ~ = 50 Hz), l'ondulation reste grande : 100% puisque Us varie de 0 à quasimentMontage à point milieu : 1 seuil de diode, 2 seuils en pont et de fait un passage par 0 d'autant plus long que U~ est faible :
Seuils de diodes en redressement
Les traits jaunes représentent ce passage par 0 !
U~ max.

Triphasé simple alternance


Signal triphasé redressé simple alternance f et U

Déjà plus efficace, Us ne subit qu'un seuil de diode et ne descend jamais sous U~ / 2 !
La fréquence de sortie est triple (150 Hz pour du 50 Hz~)
Attention ! le neutre est requis : le générateur doit être couplé en étoile !

Triphasé double alternance



Signal triphasé redressé double alternance U et f


De très loin le plus efficace, Us = quasiment 2 × V~ (tension simple), le neutre n'est pas requis, le générateur sera indifféremment couplé en étoile ou triangle.
La fréquence de sortie est × 6 (300 Hz pour du 50 Hz), le filtrage s'en trouve facilité, nous le verrons...




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Vidéo en fonctionnement alternateur de voiture redressé





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Pont de diodes triphasé ...


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4/4 : Filtrage du signal unidirectionnel

Taux d'ondulation

Tension redressée ondulée
La tension d'ondulation est l'écart entre U Maximum et U minimum. Les seuls moyens fiables de la mesurer sont l'oscilloscope ou un très bon multimètre TRMS.
Le taux d'ondulation est le rapport entre cette tension ondulée et la tension moyenneU moyenne = (U maxi + U mini) / 2
Ou la valeur lue au multimètre continu, la précision de cette valeur n'est pas fondamentale.
.

Taux d'ondulation (%) = [(U Maxi - U mini) / U moyen] × 100


Exemple avec 20% : [(22 V - 18 V) / 20] × 100 = ±10% d'ondulation




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Filtrage étape par étape


1
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Redressement double non filtré
Ici, aucun filtrage : aucun condensateur

La tension de sortie est simplement redressée double alternance et le taux d'ondulation est donc de 100% !
Filtrage complet sans charge
Cette fois filtrage par condensateur sans aucune charge

La tension de sortie, aux seuils prèsEn monophasé double alternance : 2 diodes en série = 2 seuils.
Notez qu'à vide, les seuils ne sont pas visibles.
(vu dans la vidéo test de diode, seuil)
la tension alternative maxiTension efficace × √2.
Notons que le signal est cette fois absolument lisse : 0% d'ondulation !
Filtrage insuffisant, ondulation élevée
Condensateur faible par rapport à la charge

L'ondulation est très élevée, ce signal n'est pas utilisable pour les charges requérant un continu filtréPour ces charges : relais, optocoupleurs d'entrées automates...
Le taux maximal toléré est de ± 10% à ± 20%
. Par contre on constate que la décharge sous une forme RC est quasiment linéaire au début...
Filtrage efficace, ondulation résiduelle faible
Signal correctement filtré

Résistance de charge et valeur du condensateur sont adaptés, le taux d'ondulation est faible et convient aussi à un filtrage avant stabilisationLa tension stabilisée est essentielle pour l'électronique numérique.
Hormis le cas des alimentations à découpage, pour stabiliser une tension, il faut que sa valeur soit inférieure à la tension filtrée minimale (lors des – 10 ou – 20% !)
.




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Calculer la valeur du condensateur

Pour calculer la valeur du condensateur il faut partir de nos besoins :
  • L'intensité nominalePar exemple délivrer jusqu'à 5 A.
    On ne cherche pas l'intensité de cct, mais simplement I nominal en utilisation normale !
    à fournir
  • Le temps de travail, de restitutionLe condensateur travaille aussi quand on le charge mais son travail de restitution effective est bien le temps ici en bleu avec IC :
    IC IG charge restitution condensateur de filtrage
    Pendant toute la phase bleue 'IC' il restitue, se charge pendant IG (I Générateur)
    du condensateur
  • L'ondulation résiduelle maximale admissibleAvec notre intensité de 5 A nominaux, en exemple, quelle tension minimale doit être garantie ?
    Exemple : 18 Volts minimum pour 22 Volts à vide donnerait :
    22 - 18 = 4 Volts
    Pour le calcul on parle en Volts, si vous avez déjà le pourcentage (en %), il suffit de le convertir : ±10% de 20 V = 4 Volts !
Avec ces valeurs, il suffit donc de se simplifier la vie puisque la précision n'est pas le critère fondamental au vu des tolérances des condensateursTolérance élevée des condensateurs électro-chimiques
Avec jusqu'à 60% de tolérance (– 10% à + 50%), inutile d'aller chercher des résultats à 3 chiffres significatifs !
!
  • Aussi, pour I, nous admettrons que I est constantL'ondulation attendue étant toujours faible, en début d'une courbe RC (décharge de condensateur C dans une résistance R), I est constant comme le montre ce schéma :
    I de décharge RC ou constant
    Par ailleurs, de nombreux récepteurs absorbent une intensité I qui est naturellement constante (contrairement aux résistances)...
    lors de la décharge ce qui est loin d'être exagéré !
  • Pour t, nous prendrons 10 ms1 période = désormais 1 alternance, en triphasé ce sera 6.67 ms pour du mono-alternance, 3.3 ms pour du double !
    Et encore d'autres valeurs à 60 Hertz !
    Passage de 2 à 1 alternance par période
    ce qui nous garantira une marge de sécuritéSi, comme dans la vidéo, C est au minimum de sa valeur de tolérance ; choisir 10 ms au lieu du temps réel, qui lui est toujours inférieur, permet de s'assurer une bonne réponse au cahier des charges en matière d'ondulation !
    temps réel de restitution condensateur
    Valeurs extrêmes de t réel :
    5 ms pour 100% d'ondulation et 10 ms pour 0% d'ondulation !
    !
  • Pour U attention ! Il faut prendre U ondulationU ondulation nommé ici U ondulé car c'est bien le U de décharge du condensateur !
    Tension redressée ondulée
    et pas U moyen !!!

Q = I × t = C × U


C = (I × t) / U

C (farad) = (Ampères × 0.01 s0.01 seconde ou 10 ms à 50 Hz monophasé double-alternance, 0.0833 s ou 8.33 ms à 60 Hz monophasé double-alternance...
Autres valeurs vues ci-dessus en triphasé...
) / Volts


ou

C (µF)Obtenons directement un résultat en µF, l'unité usuelle des capacités en utilisant des mA et ms ! = (mA × 10 ms) / Volts





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Expérience, mesurer la valeur du condensateur de filtrage





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Tension inverse d'une diode !

Attention piège !
La tension inverse que doit supporter une diode de redressement est d'après vous de :
  • U~ efficace ?
  • U~ Maximum ?
  • 2 × U~ efficace ?
  • 2 × U~ Maximum ?
2 × U~ Maximum

Soit : 2 × U~ efficace × √2


1
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3
Tension inverse diode étape 1
Notez que la tension alternative évolue de –U Maxi à +U Maxi alors que le condensateur reste chargé à +U Maxi
Tension inverse diode crête à crête
Si la cathode de la diode reste au potentiel de +U Maxi, l'anode voit son potentiel varier, comme l'alternatif :
De –U Maxi à +U Maxi
Tension inverse diode redressement = 2 × U crête
L'animation vous démontre clairement qu'une fois par période50 fois par seconde à 50 Hz l'anode de la diode est soumise au potentiel de –U Maxi et sa cathode à +U Maxi ! Soit une tension de 2 × U Maxi appelée aussi tension crête à crête !
Exemple : pour redresser du 100 V~ efficace il faut une diode de 300 Volts100 × 2 × √2 = 284.8 Volts minimum !




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Bonnes pratiques...


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La jonction d'une diode

Recombinaison de la zone de transition dans une jonction
La juxtaposition des zones P et NLa zone P à trous et de la zone N en excès d'électrons... produit tout simplement la migration d'électrons de la zone N vers la zone P : la recombinaison. Cela créée une ddpNon mesurable avec un appareil classique, vraiment trop peu d'intensité !
Mais ce seuil est d'environ 0.3 V avec une diode germanium ; 0.7 avec du silicium
et émet un photon (visible dans les LED Light-Emitting Diode, DEL Diode Electro-Luminescente en français
Leds et afficheur 7 segments
). Cette ddp bloque la circulation de courant dans un certain sens, nous allons le voir.
Seuil d'une jonction
Une structure cristalline, régulière et périodique est isolante. Un dopage P, à pour but de créer des trous (des manques d'électrons dans la structure). Le dopage P s'obtient par chauffage et combinaison de Bore...
Un dopage N a pour but de créer des électrons libres (un surplus d'électrons dans la structure). Le dopage N s'obtient par chauffage et combinaison d'arsenic, phosphore, anitomoine...
Jonction conductrice
Dans ce sens, la tension appliquée aux bornes de la diode annihile le tension de seuil et le courant circule dès que la tension de seuil est dépassée !
Jonction bloquée Une tension inverse conforte la tension de seuil en l'augmentant, la diode se comporte alors comme un isolant. Avec une limite destructive : la tension inverse maximum supportée : voir les datasheetSpécifications techniques fournies par le fabriquant de la diode !

Analogie avec le condensateur

condensateur = volant d'inertie
Cliquez pour relancer
En alimentant un condensateur vide, on engendre une forte intensité avant de voir la tension augmenter à ses bornes.
Par là même, en lançant un volant d'inertie à l'arrêt, on engendre un fort couple avant qu'il ne prenne de la vitesse.
Contrairement à la bobine et au ressort qui, eux, restituent leur énergie dès la déconnexion ; condensateur et volant d'inertie vont conserverLe condensateur est en réalité sujet à l'auto-décharge en quelques jours ou quelques semaines. Le volant subira les frottements et ralentira plus rapidement... l'énergie emmagasinée.

Ci-dessous la restitution brutale en court-circuit pour le condensateur, avec un frein pour le volant :
SurintensitéI = C × U / t
t tend vers 0 donc I tend vers ∞ : l'infini
pour le condensateur.
Couple très élevé pour le volant...
Décharge brutale condensateur, volant inertie

En résumé le condensateur :
  • Ne produira jamaisAttention, le condensateur ne produit jamais de surtension, mais vous pouvez entendre cette erreur : sachez que ce sont les inductances, (incluant l'inductance naturelle des fils), qui provoquent la surtension, le condensateur ne fera que la stocker, quitte à ce qu'elle le détruise... de surtension
  • Peut engendrer une surintensité
  • Retarde la variation de tension à ses bornes

Valeur efficace et maximale !


Un appareil de mesure arbore un logo TRMSTRMS : True R.M.S, RMS sans le T de 'true' (vrai), efficace vrai...
Cohabitent plusieurs types d'appareils : les classiques qui divisent systématiquement via des résistances toute tension alternative par √2 et les TRMS
quand il est capable de mesurer des signaux autres que symétriques et sinusoïdaux dont notamment ceux incluant une composante continue, une forme différente ; voire le signal provenant d'un variateur ; en MLIModulation de Largeur d'Impulsion, voir variateurs ou électronique si le sujet vous intéresse
Singnaux MLI loi U sur F
.


Diviseur analogique simple

Diviseur par 2, racine de 2
Pour aborder simplement le sujet,  on commence par très simple : à gauche un diviseur par 2 : 2 résistances identiques en série, on lit la tension divisée par 2 à leur point de liaison !
Pour diviser par √2, la résistance première sera composée de la valeur flottante (après la virgule) de 1.4142... (√2), (ou d'un multiple), alors que l'on effectuera la mesure sur la valeur entière (1 ou multiple).

Signaux non sinusoïdaux, voire 'exotiques'


Signaux et piège !
  1. A gauche le carré, pour lequel, valeurs efficace et maxi sont ≃ identiques ! 100% de la surface
  2. Suit un triangle : efficace = maxi / √3
  3. Une rampe non symétrique : multimètre TRMS obligatoire !
  4. A droite... Le trapèze ! Signal impossible :-) ! Il remonterait le temps !

Conseils+, compléments, prérequis :
Jonction de diode
Condensateur analogie mécanique
TRMS, diviseur racine 2

Cours connexe recommandé par l'auteur :
Crée le 21 / 05 / 2017, der. màj le 26 / 10 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 253 fois ★★☆☆☆
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Gu5835e07c1389f
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